AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

w KRAKOWIE

WYDZIAŁ ODLEWNICTWA

KATEDRA INŻYNIERII STOPÓW I KOMPOZYTÓW ODLEWANYCH

Kontrola Biegu Żeliwiaka Doświadczalnego

Wykonał:

Krzysztof Pudełek

Rok III/Grupa 1A

Rok Akademicki: 2011/2012

1. Cel laboratorium:

Celem ćwiczenia było zapoznania się z metodyką kontroli pracy pieców do topienia żeliwa na przykładzie żeliwiaka działającego w odlewni „Andoria” w Andrychowie.

2. Wstęp teoretyczny:

• Budowa i ogólny schemat żeliwiaka

W odlewnictwie stosuje się specjalne piece odlewnicze. Piece odlewnicze służą do topienia wsadu. Do topienia żeliwa stosuje się piece szybowe, zwane żeliwiakami (rysunek wyżej). Żeliwiak jest zbudowany w kształcie walca , z cegły szamotowej chronionej z zewnątrz płaszczem z blachy. Od spodu Żeliwiak jest zamknięty klapą denną , wyłożoną masą formierską tworzącą trzon . Tuż nad trzonem znajdują się drzwiczki włazowe , przez które ubija się masę formierską na trzonie. Wsad ładuje się do pieca oknem wsadowym . Szyb żeliwiaka w górnej swej części jest wyłożony ochronną wykładziną żeliwną, która zabezpiecza obmurze przed uszkodzeniem podczas ładowania wsadu. Powietrze potrzebne do spalania koksu doprowadza się do żeliwiaka za pomocą dysz zasilanych za pomocą wentylatora przez skrzynię powietrzną. Ciekłe żeliwo odprowadza się otworem spustowym i następnie — rynną. Tworzący się w piecu nadmiar żużla usuwa się otworem spustowym.

Uruchomienie żeliwiaka rozpoczyna się od zapalenia w nim węgla i następnie koksu. Na rozpalony koks ładuje się w dalszym ciągu dużą partię koksu wypełniającego — do wysokości 700 mm ponad poziom dysz. Po rozpaleniu koksu do temperatury białego żaru ładuje się kolejno warstwami topnik (kamień wapienny), wsad metalowy, koks wsadowy i znowu topnik. W taki sposób napełnia się cały szyb żeliwiaka aż do poziomu okna wsadowego. Po pewnym czasie stopiony metal zbiera się na dnie żeliwiaka, skąd po przebiciu otworu spustowego wypuszcza się go do kadzi, z niej jest też pobierany do zalewania form. Po skończonym wytopie należy przerwać ładowanie, wytopić znajdujące się jeszcze w piecu żeliwo, spuścić je do kadzi i następnie opróżnić piec, otwierając w tym celu klapę denną.

Żeliwo poddaje się często przed odlewaniem zabiegom zwanym obróbką w stanie ciekłym. Mają one na celu odtlenienie i odsiarczenie i niekiedy również modyfikację żeliwa. W celu odtlenienia dodaje się do stopionego żeliwa żelazokrzem. Odsiarczanie wykonuje się zazwyczaj węglanem sodu dodawanym do kadzi, w której znajduje się ciekłe żeliwo przygotowane do odlewania. Modyfikacji poddaje się żeliwa zawierające mniejsze ilości krzemu, a więc takie, które skrzepłyby jako białe, szczególnie przy szybkim studzeniu odlewu. Dodatek żelazokrzemu do kadzi powoduje grafityzację cementytu, a otrzymane żeliwo po skrzepnięciu uzyskuje budowę perlityczną z drobno płatkowym grafitem. Jako modyfikatory są stosowane również stopy wapnia z krzemem lub aluminium z krzemem. Żeliwo sferoidalne. zawierające grafit w postaci kuleczek, otrzymuje się po wprowadzeniu do kadzi stopu Fe—Si —Mg lub Mg-Cu i następnie żelazokrzemu.

Obsługa techniczna

Cechą żeliwiaka jest to, że materiał wykładziny ogniotrwałej (mieszanina kwarcu i gliny) pieca w strefach topienia i spalania wytrzymuje tylko jeden wytop. Wysoka temperatura i obecność żużla powoduje chemiczne i mechaniczne zużycie wykładziny, której materiał przechodzi do żużla. Dlatego żeliwiaki są zwykle instalowane parami. Podczas gdy w jednym piecu odbywa się wytop, w drugim jest odnawiana wykładzina.

Wydajność żeliwiaka

Wydajność żeliwiaka - ilość metalu wytapianego w jednostce czasu; ma ona bardziej znaczenie ekonomiczne, niż technologiczne i jest, w przypadku wytapiania żeliwa wyjściowego do modyfikacji, podporządkowana takim parametrom wyjściowym procesu żeliwiakowego jak - temperatura i skład chemiczny żeliwa.

Praktyczne zasady prawidłowej pracy żeliwiaka obejmują:

1. Prowadzenie pieca w możliwie najlepszych warunkach: wpływ ilości dmuchu i zużycia koksu na temperaturę przegrzania żeliwa i wydajność żeliwiaka można przedstawić dla każdego żeliwiak za pomocą wykresu siatkowego (wykresu Jungblutha). Ważność tego wykresu ogranicza się do danych, dla których go opracowano. Wskazuje on na zmiany temperatury żeliwa i wydajności żeliwiaka pod wpływem zmian ilości dmuchu i zużycia koksu i pozwala na określenie punktu (bądź linii) optymalnej sprawności cieplnej pieca

2. Unikanie nadmiernego przegrzania żeliwa

3. Równomierne załadowywanie wsadu do pieca; należy się starać, aby metal i koks z nabojów wsadu rozkładały się równomiernie w szybie pieca

4. Prawidłową kontrolę masy naboju wsadowego, ilości dmuchu i temperatury metalu

5. Zminimalizowanie strat powietrza dmuchu; prawidłowa ilość powietrza dostarczanego do żeliwiaka ma istotne znaczenie dla wskaźników jego pracy; dane ilościowe, dotyczące tej wielkości mogą się okazywać fałszywe z powodu strat powietrza. Dlatego istotne jest zwracania bacznej uwagi na ewentualne wypływy powietrza na drodze od wentylatora do dysz. Źródłem znacznych strat powietrza mogą być w żeliwiakach z okresowym spustem żużla otwory spustowe do żużla, pozostawiane otwartymi; przy tym są one często przewymiarowane. Szczególnie często występują straty dmuchu przy żeliwiakach z gorącym dmuchem; mają one zwykle miejsce w rekuperatorach. Następstwem tego jest konieczność wdmuchiwania przez dysze tlenu w miejsce traconego dmuchu.

6. Unikanie ” zawisania” wsadów w szybie żeliwiaka: jest to zjawisko wstrzymywania nabojów wsadu w ich ruchu w dół szybu i jest przyczyną spadku wydajności i sprawności cieplnej pieca, a w cięższych przypadkach - zatrzymania procesu topienia

7. Prawidłowe postępowanie z wykładziną: wewnętrzna średnica wykładziny w strefach najwyższej temperatury (spalania i topienia) powiększa się z upływem czasu trwania procesu żeliwiakowego wskutek erozji i zużycia ściernego. Wpływa to na przebieg procesu, oddalając go od przebiegu optymalnego. Minimalizowanie obciążenia cieplnego wykładziny jest więc również działaniem na rzecz oszczędności energii. Aby zapewnić zadowalające i ekonomiczne prowadzenie żeliwiaka, należy po każdym wytopie odnawiać wykładzinę w wymienionych powyżej krytycznych miejscach.

Wzór na wydajność żeliwiaka:

gdzie:

P - ilość dmuchu

L_k - ilość powietrza potrzebna do spalenia i zgazowania jednostki masy koksu [m³/kg]

K - zużycie koksu

F - pole wewnętrznego przekroju żeliwiaka [m²]

Pełny wzór na wydajność żeliwiaka przybiera postać:

gdzie:

S_r - stopień zupełności spalania

c_O - stężenie tlenu w dmuchu

Ze zwiększeniem spalności redukcyjnej wydajność rośnie. W żeliwiaku jednak staramy się zawsze o zmniejszenie wartości S_r. Uwzględniając wpływ na S_r takich wielkości, jak ilość dmuchu P, zużycie koksu K, stężenie tlenu w dmuchu c_O i temperaturę dmuchu t_d, dochodzimy do wniosku, że wpływ P i K na wydajność jest nieco słabszy, a wpływ c_O nieco silniejszy, niżby to wynikało z obecności tych wielkości we wzorze z wykładnikiem potęgowym równym 1. Natomiast wpływ t_d na wydajność dmuchu jest wyłącznie pośredni, wyrażony przez wpływ na S_r.

Zależność między podstawowymi parametrami wejściowymi (ilość dmuchu i zużycie koksu lub węgla, zawartego w koksie) oraz wyjściowymi (temperatura żeliwa t_Ż i wydajność żeliwiaka S_Ż) przedstawia się często w postaci wykresów siatkowych. Wykresy takie, sporządzane dla określonych żeliwiaków, pozwalają na szybki dobór najkorzystniejszych wartości P i K, w celu otrzymania wymaganych wartości t_Ż i S_Ż. Wykresy te pozwalają na poglądowe przedstawienie wpływu poszczególnych czynników (temperatury dmuchu, stężenia tlenu w dmuchu, rodzaju koksu itp.) na temperaturę żeliwa i wydajność żeliwiaka.

Parametry poddawane kontroli:

Głównymi parametrami, które należy poddawać kontroli podczas wytopu żeliwa w żeliwiaku, są:

• Ciśnienie dmuchu

• Pozorna i rzeczywista ilość dmuchu

• Temperatura ciekłego żeliwa

• Temperatura gazów odlotowych

• Temperatura dmuchu

• Temperatura wody chłodzącej wykładzinę lub płaszcz żeliwiaka

• Skład chemiczny gazów żeliwiakowych

• Zawartość tlenu w dmuchu

Schemat układu stref w żeliwiaku

3. Część doświadczalna:

Kontrola biegu żeliwiaka

1. Ciśnienie barometryczne:

b = 99366,3 [Pa] (średnie dla Polski).

2. Średnia temperatura dmuchu w przewodzie:

t_d =35 [C]

3. Gęstość pary wodnej nasyconej w temperaturze t_d:

’’ = 0.04 [kg/m³]

4. Ciśnienie pary wodnej nasyconej w temperaturze t_d:

P_nas = 562,4 [Pa]

5. Średnie ciśnienie statyczne:

P_s = 102700,8 [Pa]

6. Średnie ciśnienie dynamiczne:

= 3,7

7. Średnia zawartość CO₂ w gazach odlotowych:

(CO₂ )’ = 11,4 [%]

8. Ilość CO₂ powstałego z rozkładu topnika:

(CO₂ )’’ = 0,8 [%]

9. Średnia zawartość CO₂ powstałego ze spalania koksu:

(CO₂ ) = (CO₂ )’ - (CO₂ )’’= 11,4 – 0,8 = 10,6 [%]

10. Średnia zawartość O₂ w gazach odlotowych:

(O₂) = 0,2 [%]

11. Średnia zawartość CO w gazach odlotowych:

CO = 34,7 – 1,65[(CO₂) + (O₂)] = 34,7 – 1,65[10,6 + 0,2] = 16,88 [%]

CO = 16,88 [%]

12. Spalność redukcyjna:

S_r = = = 0,61

S_r = 0,61

13. Ilość powietrza zużywana na spalenie i zgazowanie jednego kg węgla koksu:

L_c = 4,45(2 - S_r) = 4,45(2 – 0,61) = 6,186 m³/kg .

L_c = 6,186 m³/kg

14. Ilość przetopionego metalu:

M = n₁  M_m1 = 31  60 = 1860 kg

M = 1860 [kg]

M_m1 — masa nabojów wsadu metalowego

n₁ — ilość nabojów wsadu metalowego

15. Ilość koksu wsadowego zużytego w czasie wytopu:

W = n₁  M_k1 = 31  9 = 279 [kg]

W = 279 [kg]

M_k1 — masa naboju koksu wsadowego

16. Zawartość wilgoci w koksie:

W_c = 3,8 [%]

17. Zawartość części lotnych w koksie:

= 1,3 [%]

18. Ilość pyłu powstałego podczas wytopu:

G’_p = 28,2 [kg] (dla K = 15 % popiół =10,1 %).

19. Ilość pyłu w stosunku do wsadu metalowego:

G_p =  100 % =  100 = 1,5 [%]

20. Zużycie koksu wsadowego:

K =  100 =  100 = 15 [%]

21. Ilość koksu kotlinowego i wypełniającego:

G_w = 100 [kg]

22. Ilość koksu pozostałego po wytopie:

G_kp = 28 [kg]

23. Ilość koksu pozostałego po wytopie w przeliczeniu na stan w chwili załadowywania do pieca:

G^w_kp = = = = 29,5 [kg]

24. Ogólne zużycie koksu:

K_o =  100 =  100 = 18,8 [%]

25. Całkowity czas wytopu:

 = 180 [min]

26. Sumaryczny czas przerw w dmuchu:

 = 2,15 [min]

27. Czas trwania wytopu:

1. =  -  = 180 – 2,15 = 177,8 [min]

28. Średnia wydajność żeliwiaka:

S_ż = 60 = 60 = 626,9 [kg/h]

29. Temperatura żeliwa w rynnie spustowej:

1. minimalna: t _żel = 1295 [C]

2. maksymalna: t _żel = 1365 [C]

3. średnia: t _żel = 1326 [C]

30. Średnia temperatura gazów odlotowych:

t _gk = 565,6 [C]

Wykresy:

Rys 1. Wykres zależności zawartości O2 w gazach odlotowych od czasu

Rys 2. Wykres zależności temperatury żeliwa Tż od czasu wytopu

Rys 3. Wykres zależności temperatury gazów odlotowych od czasu wytopu

Rys 4. Wykres zależności zawartości CO2 od czasu wytopu

Wnioski:

Zalety żeliwiaka:

• koszt inwestycji wynosi 125 000 - 150 000 EUR na tonę ciekłego żeliwa na godzinę, włączając w to instalację odpylającą;

• istnieje możliwość stosowania taniego złomu dzięki operacjom rafinacji i nawęglania

• zadawalająca sprawność cieplna pieca, jeżeli wykorzystane są właściwe sposoby

Wady żeliwiaka:

• proces produkcyjny nie jest stabilny

• utrudnione zarządzanie porodukcją wskutek powolności układu

• kosztowny wsad zawierający surówkę i ograniczoną ilość złomu stalowego

• brak możliwości szybkiej zmiany wytapianego rodzaju żeliwa

• znaczne nasiarczanie żeliwa w piec

• zanieczyszczenie środowiska pyłem, żużlem i materiałem zużytej wykładziny;

• konieczność instalowania kosztownych urządzeń odpylającycj ze względu na znaczną ilość gazów odlotowych

14